Explicando A Matéria: Semicondutores

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        Esta semana, o Explicando A Matéria traz uma classe muito especial de materiais: os semicondutores. A semicondutividade dos materiais, apesar de não ser tão expressiva quanto à condutividade, possui diversas características próprias que tornam os semicondutores materiais de alto interesse tecnológico.

        Existem dois tipos de semicondutores. O primeiro são os chamados semicondutores intrínsecos, cuja estrutura de bandas eletrônicas apresenta um gap de baixa energia, ou seja, o espaço entre a banda de valência e a banda de condução é estreito, favorecendo a condutividade elétrica. O fenômeno da semicondução depende de dois portadores de carga espalhados pelas imperfeições da rede cristalina: os elétrons e os buracos (que podem ser compreendidos como a ausência de um elétron gerada quando este passa para a banda de valência). Assim, um buraco pode ser considerado como uma partícula carregada positivamente com a mesma magnitude, mas sinal oposto, que o elétron. Dessa forma, semicondutores intrínsecos possuem a mesma quantidade de portadores positivos e negativos, já que, a cada elétron que é promovido à banda de valência, um buraco é gerado na banda de condução. Portanto, a condutividade elétrica do semicondutor intrínseco é definida pelo produto do número de elétrons e buracos, de suas cargas e de suas mobilidades.
        O outro tipo de semicondutores consiste nos ditos extrínsecos, que apresentam comportamento de semicondução dependente principalmente da concentração de impurezas no material, e podem ser de dois tipos: n ou p. Os semicondutores extrínsecos do tipo n são aqueles que possuem impurezas doadoras de elétrons, isto é, as impurezas possuem banda de valência com valores de gap de energia inferiores àquele do material puro, logo, elas são capazes de doar elétrons para a banda de condução. Por outro lado, os semicondutores extrínsecos do tipo p possuem impurezas receptoras de elétrons, isto é, possuem bandas de condução que configuram, com a banda de valência do material, um gap de energia menor que o do material em si. Dessa forma, os átomos de impureza agem como receptores de elétrons da banda de valência do material. Com isso em mente, é possível fazer a dopagem de um semicondutor, adicionando impurezas do tipo n ou do tipo p para melhorar as propriedades elétricas desses materiais.

Alguns fatores que afetam a semicondutividade dos materiais são:
• Teor do dopante: em concentrações maiores de dopantes, a mobilidade dos portadores de carga é comprometida;
• Temperatura: devido ao espalhamento térmico dos portadores, em maiores temperaturas, a mobilidade dos portadores de carga também é prejudicada.

        Dentre as mais desejadas propriedades dos semicondutores, pode-se citar as pequenas dimensões e o baixo consumo de energia. Uma utilização desse tipo de material acontece nos diodos, que permitem a passagem de corrente elétrica somente em uma direção. Isso pode ser alcançado por uma junção p-n, isto é, na justaposição de um semicondutor do tipo p com um semicondutor do tipo n. Sob uma polarização, o fluxo dos buracos encontra o fluxo dos elétrons, criando uma zona de recombinação na qual os buracos e os elétrons se aniquilam mutuamente. Sob a polarização inversa, o material se torna isolante, uma vez que os buracos e os elétrons se concentram em extremidades opostas.

Fonte: CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John Wiley & Sons, Inc., 2002.